组卷网 > 高中物理综合库 > 电磁学 > 磁场 > 带电粒子在复合场中的运动 > 质谱仪 > 基于加速电场的质谱仪
题型:解答题 难度:0.4 引用次数:651 题号:17786420
有一种“双聚焦分析器”质谱仪,工作原理如图所示。加速电场的电压为U,静电分析器中有会聚电场,即与圆心O1等距各点的电场强度大小相同,方向沿径向指向圆心O1,磁分析器中以O2为圆心、圆心角为90°的扇形区域内,分布着方向垂直于纸面向外的匀强磁场,其左边界与静电分析器的右边界平行。由离子源发出一个质量为m、电荷量为q的正离子(初速度为零, 重力不计);经加速电场加速后,从M点沿垂直于该点的电场方向进入静电分析器,在静电分析器中,离子沿半径为R的四分之一圆弧轨道做匀速圆周运动,并从N点射出静电分析器。而后离子由P点沿着既垂直于磁分析器的左边界,又垂直于磁场方向射入磁分析器中,最后离子沿垂直于磁分析器下边界的方向从Q点射出,并进入收集器,测量出Q点与圆心O2的距离为d。(题中的UmqRd都为已知量)
(1)求静电分析器中离子运动轨迹处电场强度E的大小;
(2)求磁分析器中磁感应强度B的大小;
(3)现将离子换成质量为2m ,电荷量为0.5q的另一种正离子,其它条件不变。磁分析器空间足够大,离子不会从圆弧边界射出,求:该离子进入磁分析器的位置P以及离开磁分析器的位置QO2的距离。

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解答题 | 较难 (0.4)
【推荐1】如图所示为一离子收集装置,PQ为收集区域,OP=PQ=L。现让电荷量均为q、质量不同的离子从装置下方的S1小孔飘入电势差为U0的加速电场,然后依次经过S2O小孔,沿着与OP边界垂直的方向进入磁感应强度为B的匀强磁场中,最后打在PQ收集区域,匀强磁场方向垂直纸面向外。某次收集时发现,PQ左侧区域PN损坏,无法收集离子,但右侧区域NQ仍能正常收集离子。在适当调节加速电压后,原本打在PN区域的离子即可在NQ区域进行收集。离子的重力及离子间的相互作用均忽略不计:
(1)求原本打在PQ中点的离子质量m
(2)为使原本打在PQ中点的离子能打在NQ区域,求加速电压U的取值范围;
(3)为了在NQ区域能将原本打在PN区域的所有离子全部收集,求需要调节U的最少次数;(取lg2=0.301,lg7=0.845)
(4)只调节一次U后,再通过不断调节离子入射的方向,也能使原本打在PN区域的所有离子在NQ区域得到收集,当入射方向与垂直OP方向的夹角从0缓慢调节到θ时,恰好完成全部离子的收集,求cosθ的值。
2020-04-24更新 | 705次组卷
解答题 | 较难 (0.4)
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【推荐2】一台质谱仪的工作原理如图所示.大量的带电荷量为+q、质量为2m的离子飘入电压为U0的加速电场,其初速度忽略不计,经加速后,通过宽为L的狭缝MN沿着与磁场垂直的方向进入磁感应强度为B的匀强磁场中,最后打到照相底片上.图中虚线为经过狭缝左、右边界MN时离子的运动轨迹.不考虑离子间的相互作用.

(1)求离子打在底片上的位置到N点的最小距离x
(2)在图中用斜线标出磁场中离子经过的区域,并求该区域最窄处的宽度d.
2019-07-17更新 | 1216次组卷
解答题 | 较难 (0.4)
【推荐3】某“太空粒子探测器”是由加速、偏转和探测三部分装置组成,其原理可简化如下:如图所示,沿半径方向的加速电场区域边界为两个同心半圆弧面,圆心为,外圆弧面电势为,内圆弧面电势为;在点右侧有一与直线相切于半径为的圆,圆心为,圆内(及圆周上)存在垂直于纸面向外的匀强磁场;是一个足够长的粒子探测板,探测板与水平方向夹角为点位于点正下方处;假设太空中漂浮着质量为,电荷量为的带正电粒子,它们能均匀地吸附到圆弧面上,并被加速电场从静止开始加速到圆弧而上,再由点进入磁场偏转,最后打到探测板上,(不计粒子间的相互作用和星球对粒子引力的影响),其中沿连线方向入射的粒子经磁场偏转后恰好从圆心的正下方点射出磁场。
(1)求粒子聚焦到点时速度的大小及圆形磁场的磁感应强度大小;
(2)从图中点(夹角)被加速的粒子打到探测板上点(图中未画出),求该粒子从点运动到探测板所需的时间;
(3)若每秒打在探测板上的离子数为,打在板上的离子全部被吸收,求探测板受到的作用力大小。
2022-03-21更新 | 554次组卷
共计 平均难度:一般